Прочность образцов, облицованных дуговой сваркой, сваркой взрывом в условиях циклического нагружения. Большая часть лопастей поворотно-лопастных гидротурбин Волжской ГЭС изготовлена из стали 20ГСЛ с облицовкой полосами листовой стали 1Х18Н9Т. Облицовка лопастей гидротурбин нержавеющими сталями используется также и при изготовлении радиально-осевых гидротурбин.
Облицовка крепится к деталям гидротурбины дуговой сваркой.
Рис. 20. Кривые усталости: а — стали 0Х12НДЛ; б — стали 20ГСЛ; 1- образцы диаметром 20 мм; 2 — образцы сечением 50X75 мм
Опыт эксплуатации гидротурбины с облицованными лопастями показал, что в них часто возникают сквозные усталостные трещины, вздутия и отрывы облицовок от лопастей [64, 79], причем усталостные трещины начинались у сварных швов — концентраторов напряжений.
В последнее время разработана технология облицовки деталей взрывом, которая дает возможность получить хорошую сплошность соединения облицовки с деталью и устранить тем самым вредное влияние сварных швов.
Однако сплошность соединения облицовки с основным металлом создает биметалл с разными физическими свойствами, так как обычно облицовка и основной металл— стали разного класса. При термообработке такого биметалла в нем из-за разности коэффициентов линейного расширения возникают остаточные напряжения, что может неблагоприятно сказываться на усталостной прочности.
Рассмотрим сопротивление усталости сталей 20ГСЛ и 22К, облицованных сталью 1Х18Н9Т с помощью дуговой сварки. В связи с тем, что облицованные дуговой сваркой лопасти гидротурбин после облицовки не проходят термообработку, основные серии усталостных образцов с облицовкой также испытаны без термообработки после сварки.
В основных образцах после приварки облицовок сварные швы снаружи механически не обрабатывались. Отдельные об:разцы испытаны с зачищенными заподлицо с облицовкой сварными швами.
Предел выносливости образцов с облицовкой, приваренной пересекающимися швами, составляет 6,5 кгс/мм2, что в 2,7 раза ниже предела выносливости стали 22К без облицовки (рис. 21, а, кривые 4 и 1).
Такое резкое снижение усталостной прочности объясняется наличием концентратора в виде сварных швов и концентрации в них больших остаточных напряжений растяжения от влияния пересекающихся швов [57].
Предел выносливости образцов с облицовкой, приваренной электрозаклепками, где остаточные напряжения, очевидно, несколько ниже, чем при пересечении швов, составляет 8,5 кгс/мм2 (кривая 3). Усталостные изломы начинались в зоне сплавления электрозаклепки и стали 22 К.
Образцы с приваркой облицовки двумя продольными параллельными швами имеют предел выносливости больше, чем при приварке электрозаклепками, но все же на 40% ниже предела выносливости стали 22К.
При облицовке стали 20ГСЛ повторяются закономерности снижения пределов выносливости, полученные при облицовке кованой стали 22 К.
Наибольший предел выносливости, так же как и для стали 22К, имеют образцы с приваркой облицовки продольными швами. Предел выносливости облицованной стали 20ГСЛ равен 8,5 кгс/мм2, что на 41% ниже предела выносливости стали 20ГСЛ (рис. 21, б). Самый низкий предел выносливости, равный 5,5 кгс/мм2, имеют облицованные образцы с пересекающимися швами. Предел выносливости такой конструкции облицовки в 2,б‘ раза ниже предела выносливости стали 20ГСЛ (для стали 22К в 2,7 раза).
Усталостные изломы, в облицованных образцах из стали 20ГСЛ появлялись в тех же местах и были аналогичны изломам в облицованных образцах из стали 22К.
В лопастях после приварки облицовок сварные швы зачищаются заподлицо с облицовкой для получения необходимых размеров и гидродинамических характеристик лопасти. Проверка показала, что зачистка швов не изменяет предела выносливости (рис. 21, б, кривые 2 и 4).
Испытывались также образцы с приваркой облицовки пересекающимися и продольными швами. Сварные швы зачищались наждачным кругом. Выяснилось, что пределы выносливости образцов с зачищенными и незачищенными швами одинаковы.
Это обстоятельство, если учесть, что у обычных (стыковых) сварных соединений снятие усиления шва резко повышает усталостную прочность, объясняется тем, что у облицованных образцов усталостное разрушение начинается не снаружи в месте усиления шва, а под облицовкой — в зоне сплавления шва и облицовки.
Серия образцов из стали 20ГСЛ с облицовкой, приваренной продольными швами, была испытана с термообработкой (отпуск при 620° С) после приварки. При этом предел выносливости повысился всего лишь на 10% — с 8,5 до 9,5 кгс/мм2. Это может быть объяснено тем, что стали 1Х18Н9Т и 20ГСЛ имеют разные коэффициенты линейного расширения и после термообработок возникло поле неблагоприятных остаточных напряжений, при котором предел выносливости повысился незначительно.
Таким образом, одинаковое влияние на усталостную прочность как образцов из литой стали 20ГСЛ, так из кованой стали 22К с приваренными аналогичными конструкциями облицовок указывает, что облицовка резко (до 50%) снижает предел выносливости основного металла.
Зачистка усиления сварного шва заподлицо с облицовкой не изменяет предела выносливости образцов.
Термообработка образцов, облицованных сталью 1Х18Н9Т, незначительно повышает предел выносливости, так как после термообработки возникает новое поле остаточных напряжений, вызванное различием коэффициентов линейного расширения облицовки и основного металла.
Рассмотрим сопротивление усталости сталей, облицованных сваркой взрывом. Испытания выполнялись на образцах, облицованных сваркой взрывом.
Исследовалась усталостная прочность конструкционной стали 22К, облицованной сталью 0X13 или 1Х18Н10Т. Облицовочные стали были выбраны с учетом того, что наряду с их высокими рабочими характеристиками сталь 0X13 имеет коэффициент линейного расширения меньший, чем у перлитной стали 22К, а сталь 1Х18Н10Т — больший.
Использование для облицовки сталей с различными коэффициентами линейного расширения позволяло оценить влияние возникающих в них остаточных напряжений на сопротивление усталости. Образцы вырезались из больших облицованных плит и испытывались в трех состояниях: после сварки; после отпуска при 630° С в течение 6 ч; после отпуска при 630° С в течение 12 ч с последующим отжигом при 930° С в течение 4 ч и повторным отпуском при. 630° С в течение 2 ч.
Термообработка проводилась для устранения неоднородности механических свойств в зоне сварного соединения.
Облицовка сталью 1X18Н1 ОТ (рис. 22) снижает предел выносливости стали 22К, особенно при отсутствии термообработки (с 17,6 до 8,5 кгс/мм2, т. е. на 52%). Отпуск несколько (на 10%) повышает предел выносливости.
При тройной термообработке различие между пределами выносливости стали 22К (15,5 кгс/мм2) и облицованных образцов (10,5 кгс/мм2) несколько уменьшается (30%). При тройной термообработке уменьшение различия в пределах выносливости, вероятно, связано с улучшением структуры в зоне сварки облицованных образцов.
Облицовка сталью 0X13 без термообработки также понижает предел выносливости стали 22К (до 10,5 кгс/мм2), хотя и в меньшей степени, нем. облицовка сталью 1Х18Н10Т. После тройной термообработки пределы выносливости облицованной и необлицованной стали практически равны. После однократного отпуска образцы, облицованные сталью 0X13, имеют даже более высокий предел выносливости (18,0 кгс/мм2), чем необлицованная сталь 22К.
Рис. 22. Кривые усталости образцов сечением 50 Х75 мм из стали 22К, облицованных листовыми сталями 1X13 и 1Х18Н10Т:
а — образцы стали 22К; б — образцы, облицованные сталью 1X13; в — образцы, облицованные сталью 1Х18Н10Т
Усталостные разрушения показали, что при этом обеспечивается монолитность композитного материала, а усталостные трещины начинаются под облицовкой.
Различное влияние облицованных сталей на усталостную прочность, очевидно, следует объяснить различием их коэффициентов линейного расширения.
По-видимому, при облицовке сталью 0X13, имеющей меньший коэффициент расширения, чем сталь 22К, возникает в результате сварки и в особенности после термообработки более благоприятное распределение остаточных напряжений, чем при облицовке сталью 1Х18Н10Т, что положительно влияет на усталостную прочность.
Сравнение влияния облицовок из стали 1Х18Н10Т, приваренных дуговой сваркой или взрывом, показывает, что при дуговой сварке с пересекающимися швами без термообработки предел выносливости снижается более чем на 60% (см. рис. 21, а). При облицовке взрывом снижение предела выносливости составляет 50%.
